JP6423265B2 - Surface coated cutting tool with excellent chipping resistance in wet high speed intermittent cutting - Google Patents
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Description
この発明は、刃先に高負荷が作用するダクタイル鋳鉄等の湿式高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具(以下、「被覆工具」という)に関する。 The present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as “coated tool”) that exhibits excellent chipping resistance in a hard coating layer in wet high-speed intermittent cutting such as ductile cast iron in which a high load acts on the cutting edge.
従来から、工具基体表面に、周期律表の4a、5a、6a族から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜を被覆形成することにより、切削工具の耐摩耗性向上を図ることが知られている。
そして、硬質皮膜のうちでも、α型酸化アルミニウム層は、熱安定性に優れ、反応性が低く、かつ、高硬度であるという点から、上記周期律表の4a、5a、6a族から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜の最表面層として、α型酸化アルミニウム層を被覆形成した被覆工具が知られているが、切削条件が厳しくなるにしたがって、それに耐え得る切削性能を備えた被覆工具が求められており、そのため、硬質皮膜の最表面層を構成するα型酸化アルミニウム層についても種々の改良・提案がなされている。
Conventionally, cutting is performed by coating a hard film made of carbide, nitride, carbonitride, or the like of at least one element selected from groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table on the tool base surface. It is known to improve the wear resistance of tools.
Among the hard coatings, the α-type aluminum oxide layer is selected from groups 4a, 5a, and 6a in the periodic table from the viewpoints of excellent thermal stability, low reactivity, and high hardness. Further, a coated tool having an α-type aluminum oxide layer formed thereon is known as the outermost surface layer of a hard coating made of carbide, nitride, carbonitride, or the like of at least one element, but cutting conditions are severe. Accordingly, there is a need for a coated tool having cutting performance that can withstand it, and various improvements and proposals have been made for the α-type aluminum oxide layer that constitutes the outermost surface layer of the hard coating.
例えば、特許文献1では、表面被覆切削工具の硬質被覆層として、少なくとも酸化アルミニウム層を5〜20μm化学蒸着法で被覆形成し、かつ、酸化アルミニウム層中にTi酸化物を固溶あるいは30容量%以下含有させることによって、表面被覆切削工具の靭性、密着性、耐摩耗性を改善することが提案されている。 For example, in Patent Document 1, at least an aluminum oxide layer is formed by a chemical vapor deposition method as a hard coating layer of a surface-coated cutting tool, and Ti oxide is dissolved or 30% by volume in the aluminum oxide layer. It has been proposed to improve the toughness, adhesion, and wear resistance of the surface-coated cutting tool by containing the following.
また、特許文献2では、工具基体の表面に化学蒸着法で下部層と上部層とを形成し、下部層は、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層または2層以上からなるTi化合物層、上部層は、酸化アルミニウム層であって、該酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布しており、該微粒酸化アルミニウムが粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相であり、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の平均粒子幅Wは50〜2000nm、平均アスペクト比Aは5〜50であり、前記微粒酸化アルミニウムの平均粒径Rが、10〜50nmであり、上部層を構成する酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの断面の数密度が20〜150個/μm2とすることによって、高速重切削加工における耐チッピング、耐欠損性を向上させることが提案されている。 In Patent Document 2, a lower layer and an upper layer are formed on the surface of a tool base by chemical vapor deposition, and the lower layer includes a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer, and a carbonitride. The Ti compound layer composed of one or more of the oxide layers, the upper layer is an aluminum oxide layer, and the aluminum oxide layer has a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure, and the structure Fine aluminum oxide is dispersed and distributed therein, and the fine aluminum oxide is a granular aluminum oxide crystal phase or an amorphous aluminum oxide phase or a mixed phase of a granular aluminum oxide crystal phase and an amorphous aluminum oxide phase. The average grain width W of the crystal is 50 to 2000 nm, the average aspect ratio A is 5 to 50, and the average of the fine aluminum oxide particles is Diameter R is a 10 to 50 nm, by the number density of the cross-section of the particulate aluminum oxide is present in the aluminum oxide layer constituting the upper layer has a 20 to 150 pieces / [mu] m 2, chipping in a high speed heavy cutting, It has been proposed to improve fracture resistance.
特許文献3では、表面被覆切削工具において、ZrO2、HfO2、B2O3またはTiO2の少なくとも1種を含有する下層を形成し、この上に、結晶組織の大きさが50nm以上150nm以下である柱状の結晶組織を有し、α型の結晶構造の結晶粒が10%以上90%以下の割合で混在するα型の結晶構造とγ型の結晶構造との混合組織からなる0.1μm以上10μm以下の膜厚の酸化アルミニウム被膜を物理蒸着法で形成することにより、硬質被覆層から酸化アルミニウム結晶粒の脱落を防止することにより、表面被覆切削工具の耐摩耗性を向上させることが提案されている。 In Patent Document 3, in the surface-coated cutting tool, a lower layer containing at least one of ZrO 2 , HfO 2 , B 2 O 3, or TiO 2 is formed, and the size of the crystal structure is 50 nm or more and 150 nm or less thereon. 0.1 μm consisting of a mixed structure of an α-type crystal structure and a γ-type crystal structure in which the crystal grains of the α-type crystal structure are mixed at a ratio of 10% to 90%. Proposing to improve the wear resistance of surface-coated cutting tools by preventing aluminum oxide crystal grains from falling off the hard coating layer by forming an aluminum oxide film with a thickness of 10 μm or less by physical vapor deposition. Has been.
特許文献4では、工具基体の少なくとも最表面に、0.2〜5μmの平均層厚を有し、かつ、平滑性の高い酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法により形成した表面被覆切削工具において、酸化アルミニウム層は、素地及び素地中に分散した球状組織からなり、該素地は酸化アルミニウム結晶相及びアモルファス相から構成され、また、該球状組織は、針状結晶相、板状結晶相のうちの一種または二種とアモルファス相との集合体からなり、酸化アルミニウム層の縦断面に含有される球状組織の占める面積の割合は20〜60面積%、また、近似円の半径は、0.02〜0.5μmとすることによって、鋳鉄、炭素鋼等の高速重切削加工において、硬質被覆層の潤滑性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。 In Patent Document 4, in a surface-coated cutting tool in which an aluminum oxide layer having an average layer thickness of 0.2 to 5 μm and high smoothness is formed on at least the outermost surface of a tool base by a sol-gel method, The aluminum layer is composed of a substrate and a spherical structure dispersed in the substrate, and the substrate is composed of an aluminum oxide crystal phase and an amorphous phase. The spherical structure is a kind of acicular crystal phase and plate-like crystal phase. Or it consists of an aggregate | assembly of 2 types and an amorphous phase, and the ratio of the area which the spherical structure | tissue which contains in the longitudinal cross-section of an aluminum oxide layer occupies 20-60 area%, and the radius of an approximate circle is 0.02-0. It has been proposed to improve the lubricity and wear resistance of the hard coating layer in high-speed heavy cutting such as cast iron and carbon steel by setting the thickness to 0.5 μm.
上記特許文献1,2において提案されている酸化アルミニウム層を化学蒸着で形成した被覆工具においては、形成されるα型酸化アルミニウムの熱安定性、非反応性により、通常条件下での切削加工では、ある程度の靭性、耐摩耗性を発揮するが、例えば、高熱発生を伴い、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する切削加工に用いた場合には、チッピング、欠損が発生しやすく、これが原因となり、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮し得ないという問題があった。 In the coated tool in which the aluminum oxide layer proposed in Patent Documents 1 and 2 is formed by chemical vapor deposition, in the cutting process under normal conditions due to the thermal stability and non-reactivity of the formed α-type aluminum oxide. It exhibits a certain degree of toughness and wear resistance, but for example, when it is used for cutting with high heat generation and intermittent and impact loads on the cutting edge, chipping and chipping are likely to occur. This has caused a problem that sufficient wear resistance cannot be exhibited over a long period of use.
また、上記特許文献3において提案されている物理蒸着により形成した酸化アルミニウム層を硬質被覆層とする被覆工具においては、酸化アルミニウム層の高温安定性が乏しく、また、硬さも十分でないため、耐摩耗性が劣るという問題があった。 Further, in the coated tool in which the aluminum oxide layer formed by physical vapor deposition proposed in Patent Document 3 is a hard coating layer, the high-temperature stability of the aluminum oxide layer is poor and the hardness is not sufficient. There was a problem of inferiority.
また、上記特許文献4において提案されているゾル-ゲル法により酸化アルミニウム層を形成した被覆工具では、硬質被覆層を熱安定性にすぐれ、非反応性の高いα−Al2O3にするために、ゾル中に水や塩酸を加え、加熱することで加水分解・縮重合反応を促進させ、最密構造をとるα型に近い緻密なAl−Oの結合を分散させたゾルを成膜に使用することで高い結晶性を有するα−Al2O3を形成していた。そして、これを鋳鉄・鋼の高速連続切削に用いた場合には長寿命を発揮するものの、大きな衝撃の加わるダクタイル鋳鉄の湿式高速断続切削においては、膜組織が球状組織や針状・板状結晶粒からなり、均一性に乏しく、その不均一性や針状結晶粒の尖端などからクラックが発生するなどしてチッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生し易く、これが原因となり、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮し得ないという問題があった。 Further, in the coated tool in which the aluminum oxide layer is formed by the sol-gel method proposed in Patent Document 4, the hard coating layer is made of α-Al 2 O 3 having excellent thermal stability and high nonreactivity. In addition, water and hydrochloric acid are added to the sol and heated to promote hydrolysis and polycondensation reactions, and a sol in which dense Al-O bonds close to α-type with a close-packed structure are dispersed is formed into a film. By using it, α-Al 2 O 3 having high crystallinity was formed. And when this is used for high-speed continuous cutting of cast iron / steel, it exhibits a long life, but in wet high-speed intermittent cutting of ductile iron with a large impact, the film structure is spherical or needle-like / plate-like crystals. It is composed of grains and has poor uniformity, and it is easy to cause abnormal damage such as chipping, chipping, peeling, etc. due to unevenness and cracks from the tip of needle-like crystal grains, etc. There was a problem that sufficient wear resistance could not be exhibited.
そこで、本発明者等は、ダクタイル鋳鉄の断続切削加工等のチッピングを発生し易い切削条件においても、耐チッピング性に優れた酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法により形成すべく鋭意検討したところ、アルミニウムのアルコキシド及びチタンのアルコキシドを原料として、あるいはアルミナゾル中にTi酸化物微粒子を予め添加したゾルを用いたゾル-ゲル法によりα型とγ型の混合組織からなる酸化アルミニウム層を形成した場合には、形成されるα型の酸化アルミニウム結晶粒を比較的大きな粒径で、かつ、その形状をアスペクト比が1に近い比較的粒状のものとすることができ、これによって、酸化アルミニウム層の靭性を高めることができるとともに、結晶粒形状の均一性に優れるため、結晶粒の尖端など脆弱な部分からクラックが発生するなどせず、潤滑性に優れたγ型酸化アルミニウム結晶粒と相俟って、耐チッピング性、耐剥離性を高めることができることを見出した。
そして、このような酸化アルミニウム層を被覆形成した被覆工具を、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用するダクタイル鋳鉄の湿式高速断続切削加工に供した場合、チッピング、欠損等を発生することがなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。
Therefore, the present inventors have conducted an intensive study to form an aluminum oxide layer excellent in chipping resistance by a sol-gel method even under cutting conditions where chipping such as intermittent cutting of ductile cast iron is likely to occur. When an aluminum oxide layer composed of α-type and γ-type mixed structures is formed by a sol-gel method using alkoxide of titanium and alkoxide of titanium as raw materials or a sol in which Ti oxide fine particles are added in advance in alumina sol The α-type aluminum oxide crystal grains formed can have a relatively large grain size and a relatively granular shape with an aspect ratio close to 1, thereby reducing the toughness of the aluminum oxide layer. It can be increased and the uniformity of the crystal grain shape is excellent. It has been found that chipping resistance and peeling resistance can be improved in combination with γ-type aluminum oxide crystal grains having excellent lubricity without causing the occurrence of the above.
And when such a coated tool coated with an aluminum oxide layer is subjected to wet high-speed intermittent cutting of ductile cast iron in which intermittent and impact loads are applied to the cutting edge, chipping, chipping, etc. may occur. It has been found that it exhibits excellent wear resistance over a long period of use.
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「(1) 炭化タングステン基超硬合金、または炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層として、酸化アルミニウム層を0.5〜4.0μmの平均層厚で被覆形成してなる表面被覆切削工具であって、
(a)上記酸化アルミニウム層は、層中にTi酸化物を分散含有するとともに、α型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織からなり、
(b)上記酸化アルミニウム層におけるγ型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径は50〜200nmであり、
(c)上記酸化アルミニウム層におけるα型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径は50〜300nmであって、また、平均アスペクト比は0.8〜1.2であり、
(d)上記酸化アルミニウム層の縦断面に占めるα型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合が、20〜70%であるとともに、
(e)上記酸化アルミニウム層の縦断面を工具基体表面と平行に区分した各区分断面におけるα型酸化アルミニウム結晶粒が占める面積割合の標準偏差が15%以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)上記酸化アルミニウム層中に分散含有されているTi酸化物のTi含有量は、酸化アルミニウム層中に含有される全金属成分の0.5〜5原子%であることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。
(3)上記酸化アルミニウム層中に形成されるα型酸化アルミニウム結晶粒のうち、70面積%以上のα型酸化アルミニウム結晶粒が一つ以上のTi酸化物と接していることを特徴とする(1)乃至(2)に記載の表面被覆切削工具。
(4) 上記酸化アルミニウム層は、粒径が20〜100nmのTi酸化物微粒子を予め添加したゾルを用いたゾルーゲル法により形成されたものであることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(5) 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCoの平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(6) 炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCo及びNiの合計平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
This invention has been made based on the above findings,
“(1) An aluminum oxide layer having a mean layer thickness of 0.5 to 4.0 μm is formed as a hard coating layer on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet. A surface-coated cutting tool comprising:
(A) The aluminum oxide layer contains a Ti oxide dispersed in the layer and has a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains,
(B) The average particle diameter of the γ-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer is 50 to 200 nm,
(C) The average particle diameter of the α-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer is 50 to 300 nm, and the average aspect ratio is 0.8 to 1.2.
(D) While the area ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains in the longitudinal section of the aluminum oxide layer is 20 to 70%,
(E) Surface-coated cutting characterized in that the standard deviation of the area ratio occupied by α-type aluminum oxide crystal grains in each section obtained by dividing the longitudinal section of the aluminum oxide layer in parallel with the tool base surface is 15% or less. tool.
(2) The Ti content of the Ti oxide dispersed and contained in the aluminum oxide layer is 0.5 to 5 atomic% of the total metal components contained in the aluminum oxide layer ( The surface-coated cutting tool according to 1).
(3) Of the α-type aluminum oxide crystal grains formed in the aluminum oxide layer, α-type aluminum oxide crystal grains of 70 area% or more are in contact with one or more Ti oxides ( The surface-coated cutting tool according to 1) to (2).
(4) The aluminum oxide layer is formed by a sol-gel method using a sol to which Ti oxide fine particles having a particle diameter of 20 to 100 nm are added in advance. (1) to (3) The surface coating cutting tool in any one.
(5) In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool base made of a tungsten carbide-based cemented carbide,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and an average content of Co as a binder phase metal contained in the base surface hardened layer is The surface-coated cutting tool according to any one of (1) to (4), which is less than 2.0% by mass.
(6) In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool base composed of a titanium carbonitride-based cermet,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and the total average of Co and Ni as binder phase metals contained in the base surface hardened layer Content is less than 2.0 mass%, The surface-coated cutting tool in any one of (1) thru | or (4) characterized by the above-mentioned. "
It is characterized by.
以下、本発明について、詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、ゾル−ゲル法により成膜した平均層厚0.5〜4.0μmの酸化アルミニウム層を備えるが、該層の平均層厚が0.5μm未満であると、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が4.0μmを超えると、チッピングが発生しやすくなるため、酸化アルミニウム層の層厚は0.5〜4.0μmと定めた。 The coated tool of the present invention includes an aluminum oxide layer having an average layer thickness of 0.5 to 4.0 μm formed by a sol-gel method as a hard coating layer, and the average layer thickness of the layer is less than 0.5 μm. If the average layer thickness exceeds 4.0 μm, chipping is likely to occur. Therefore, the layer thickness of the aluminum oxide layer is as follows. It was determined to be 0.5 to 4.0 μm.
上記酸化アルミニウム層は、層中にTi酸化物を分散含有するα型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織として形成される。
上記酸化アルミニウム層におけるγ型酸化アルミニウム結晶粒は、その平均粒径が50nm未満では耐摩耗性向上効果が少なく、一方、平均粒径が200nmを超えると高負荷が作用する切削加工において結晶粒の脱落が生じやすくなるので、γ型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径は、50〜200nmとする。
上記酸化アルミニウム層におけるα型酸化アルミニウム結晶粒についても、その平均粒径が50nm未満では耐摩耗性向上効果が少なく、一方、平均粒径が300nmを超えると高負荷が作用する切削加工において結晶粒の脱落が生じやすくなるので、α型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径は、50〜300nmとする。
本発明は、酸化アルミニウム層を、α型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織として形成し、すぐれた潤滑性を有するγ型酸化アルミニウムと結晶粒形状の均一性によりクラックの起点となる結晶粒の尖端など脆弱な部分がなく、すぐれた高温硬さと耐酸化性を有するα型酸化アルミニウムを相兼ね備えた層構造としていることによって、積層にした場合等に危惧される剥離の起点となる脆弱層の形成がないことから、切れ刃に高負荷が作用する断続切削条件においても、チッピング、剥離等の発生を抑制し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
The aluminum oxide layer is formed as a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains in which Ti oxide is dispersedly contained in the layer.
The γ-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer have little effect of improving the wear resistance when the average grain size is less than 50 nm, while the average grain size exceeds 200 nm in the cutting process in which a high load acts. Since the dropout is likely to occur, the average particle diameter of the γ-type aluminum oxide crystal grains is set to 50 to 200 nm.
As for the α-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer, the effect of improving the wear resistance is small when the average particle diameter is less than 50 nm, while the crystal grains are used in the cutting process in which a high load acts when the average particle diameter exceeds 300 nm. Of the α-type aluminum oxide crystal grains is 50 to 300 nm.
In the present invention, the aluminum oxide layer is formed as a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains, and the starting point of cracks due to the uniformity of γ-type aluminum oxide having excellent lubricity and the crystal grain shape. There is no brittle part such as the tip of the crystal grains that become, and it has a layer structure that combines α-type aluminum oxide with excellent high-temperature hardness and oxidation resistance, so that it is the starting point of delamination that is feared when laminated Since there is no formation of a fragile layer, even under intermittent cutting conditions in which a high load acts on the cutting edge, the occurrence of chipping, peeling, etc. is suppressed, and excellent cutting performance is demonstrated over a long period of use.
また、上記α型酸化アルミニウムは、高温硬さと耐酸化性を備えるものであるが、α型酸化アルミニウム結晶粒の平均アスペクト比を0.8〜1.2と定め、粒状結晶とすることによって、大きな衝撃の加わるダクタイル鋳鉄の高速断続切削においても、結晶粒形状の均一性に優れるため、結晶粒の尖端など脆弱な部分からクラックが発生するなどせず、その結果、耐チッピング性、耐剥離性をより一層改善することができる。
ここで、α型酸化アルミニウム結晶粒の平均アスペクト比が0.8未満及び1.2を超える場合には、高温硬さと耐酸化性を備え、酸化アルミニウム層の耐摩耗性を主として担うα型酸化アルミニウム結晶粒の結晶粒形状の均一性が低下し、その不均一性や針状結晶粒の尖端などからクラックが発生するなどして脱落チッピングが発生し易くなることから、α型酸化アルミニウム結晶粒の平均アスペクト比は0.8〜1.2とする。
なお、平均アスペクト比とは、例えば、電子線後方散乱回折装置(EBSD)を備えた走査型電子顕微鏡(倍率5000倍)を用いた断面観察において、酸化アルミニウム層中のα型酸化アルミニウム結晶粒を特定し、該α型酸化アルミニウム結晶粒の粒子幅w及び粒子長さlを、工具基体と水平方向に長さ合計10μmの範囲に存在するα型酸化アルミニウム結晶粒について測定し、個々の結晶粒について求めた粒子幅wの平均値である平均粒子幅Wと、個々の結晶粒について求めた粒子長さlの平均値である平均粒子長さLの比として定義されるアスペクト比L/Wを平均アスペクト比として求めることができる。
The α-type aluminum oxide has high-temperature hardness and oxidation resistance, but the average aspect ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains is set to 0.8 to 1.2 to form granular crystals, Even in high-speed intermittent cutting of ductile cast iron subjected to a large impact, the crystal grain shape is excellent in uniformity, so that cracks do not occur from fragile parts such as the tip of the crystal grain, resulting in chipping resistance and peeling resistance. Can be further improved.
Here, when the average aspect ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains is less than 0.8 and exceeds 1.2, the α-type oxidation is provided with high temperature hardness and oxidation resistance and mainly responsible for wear resistance of the aluminum oxide layer. Α-type aluminum oxide crystal grains are less prone to drop-off chipping due to the non-uniformity of the aluminum crystal grains and the occurrence of cracks from the non-uniformity and the tips of needle-like grains. The average aspect ratio is set to 0.8 to 1.2.
The average aspect ratio refers to, for example, the α-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer in cross-sectional observation using a scanning electron microscope (5000 times magnification) equipped with an electron beam backscattering diffractometer (EBSD). The particle width w and the particle length l of the α-type aluminum oxide crystal grains are measured, and α-type aluminum oxide crystal grains existing in the range of a total length of 10 μm in the horizontal direction with respect to the tool base are measured. The aspect ratio L / W defined as the ratio of the average particle width W, which is the average value of the particle widths w obtained with respect to, and the average particle length L, which is the average value of the particle length l, obtained for each crystal grain. It can be obtained as an average aspect ratio.
本発明では、該酸化アルミニウム層の縦断面におけるα型酸化アルミニウム結晶粒の平均占有面積割合が20面積%〜70面積%の範囲となることとする。
これは、α型酸化アルミニウム結晶粒の占有面積割合が測定断面において20面積%未満であると、耐摩耗性の向上効果が少なく、一方、その占有面積割合が70面積%を超えると、潤滑性に優れるγ型酸化アルミニウム結晶粒の量が減少するという理由による。
また、工具基体表面と平行に区分した酸化アルミニウム層の各区分断面についてα型酸化アルミニウム結晶粒の占有面積割合の標準偏差を算出した場合、15面積%以下であると酸化アルミニウム層の層厚方向にわたるα型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合とγ型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合の分布がほぼ一様になるため、潤滑性、耐クラック性、高温硬さ、耐酸化性という本発明の酸化アルミニウム層の特性が、酸化アルミニウム層の厚さ方向にわたって均一に担保され、長時間にわたって上記効果を発揮することができるため、更に望ましい。
なお、工具基体表面と平行に区分した酸化アルミニウム層の各断面におけるα型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合は、例えば、酸化アルミニウム層を層厚方向に、高さ0.2μm毎に区分し、区分された断面について、α型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合を測定することによって求めることができる。
In the present invention, the average occupation area ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains in the longitudinal section of the aluminum oxide layer is in the range of 20 area% to 70 area%.
This is because when the occupied area ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains is less than 20 area% in the measurement cross section, the effect of improving the wear resistance is small, whereas when the occupied area ratio exceeds 70 area%, the lubricity is increased. This is because the amount of the γ-type aluminum oxide crystal grains excellent in the reduction in the number of particles is reduced.
Further, when the standard deviation of the occupied area ratio of α-type aluminum oxide crystal grains is calculated for each section of the aluminum oxide layer sectioned parallel to the tool base surface, the layer thickness direction of the aluminum oxide layer is 15 area% or less. The distribution of the area ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains and the area ratio of the γ-type aluminum oxide crystal grains is almost uniform, so that the aluminum oxide of the present invention has lubricity, crack resistance, high temperature hardness, and oxidation resistance. It is further desirable because the characteristics of the layer are uniformly ensured over the thickness direction of the aluminum oxide layer, and the above effects can be exhibited over a long period of time.
In addition, the area ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains in each cross section of the aluminum oxide layer divided in parallel with the tool base surface is determined by dividing the aluminum oxide layer by 0.2 μm in height in the layer thickness direction, for example. The measured cross section can be obtained by measuring the area ratio of α-type aluminum oxide crystal grains.
本発明では、酸化アルミニウム層中にTi酸化物を分散含有しているが、層中に分散含有されているTi酸化物は、ゾル−ゲル法により酸化アルミニウム層を形成する際に、α型酸化アルミニウム結晶粒の核生成点となりα型酸化アルミニウム結晶粒の微細化を促進すると同時に、酸化アルミニウム層の靭性向上に寄与する。
酸化アルミニウム層中に分散含有されているTi酸化物の含有割合を、酸化アルミニウム層中に含有される全金属成分に対するTi量で換算した場合、Ti含有量が0.5原子%未満では、α型酸化アルミニウム結晶粒の微細化効果が少なく、均一組織の酸化アルミニウム層を形成することができず、一方、Ti含有量が5原子%を超えると、酸化アルミニウム層の硬度が低下することから、Ti酸化物の含有割合は、酸化アルミニウム層中に含有される全金属成分に対するTi量で換算した場合、0.5〜5原子%とすることが望ましい。
酸化アルミニウム層中の全金属元素に占めるTiの含有割合は、例えば、酸化アルミニウム層の縦断面視野領域(例えば、0.2μm×0.3μmの範囲)について、TEMに付属されたエネルギー分散形X線分析装置による観察視野範囲内の定量面分析を5視野実施し、その平均値を求めることにより測定することができる。
なお、酸化アルミニウム層中におけるTi含有量を0.5〜5原子%とするためには、原料に所定量のチタンのアルコキシドを同時に用いるか、所定量のTi酸化物微粒子を予め添加したゾルを用いたゾルーゲル法により酸化アルミニウム層を形成することができ、この場合、Ti酸化物微粒子としては、粒径が20〜100nmのTiO2微粒子を用いることが望ましく、また、チタンのアルコキシドもしくはTi酸化物微粒子の添加量は、アルミナゾルの固形分に対する添加量として、0.005mol%〜0.05mol%とすることが望ましい。
In the present invention, the Ti oxide is dispersed and contained in the aluminum oxide layer. The Ti oxide dispersed and contained in the layer is α-type oxidized when the aluminum oxide layer is formed by the sol-gel method. It becomes a nucleation point of aluminum crystal grains and promotes refinement of α-type aluminum oxide crystal grains, and at the same time contributes to improvement of toughness of the aluminum oxide layer.
When the content ratio of Ti oxide dispersed and contained in the aluminum oxide layer is converted to Ti amount relative to all metal components contained in the aluminum oxide layer, when the Ti content is less than 0.5 atomic%, α There is little effect of refining type aluminum oxide crystal grains, and an aluminum oxide layer having a uniform structure cannot be formed. On the other hand, if the Ti content exceeds 5 atomic%, the hardness of the aluminum oxide layer decreases, The content ratio of the Ti oxide is preferably 0.5 to 5 atomic% in terms of the amount of Ti with respect to all metal components contained in the aluminum oxide layer.
The content ratio of Ti in the total metal elements in the aluminum oxide layer is, for example, the energy dispersive X attached to the TEM for the longitudinal sectional view region (for example, a range of 0.2 μm × 0.3 μm) of the aluminum oxide layer. The measurement can be performed by performing quantitative visual field analysis within the observation visual field range by a line analyzer and obtaining an average value thereof.
In order to set the Ti content in the aluminum oxide layer to 0.5 to 5 atomic%, a sol in which a predetermined amount of titanium alkoxide is simultaneously used as a raw material or a predetermined amount of Ti oxide fine particles are added in advance is used. An aluminum oxide layer can be formed by the sol-gel method used. In this case, it is desirable to use TiO 2 fine particles having a particle size of 20 to 100 nm as the Ti oxide fine particles, and also an alkoxide of titanium or Ti oxide. The addition amount of the fine particles is preferably 0.005 mol% to 0.05 mol% as the addition amount with respect to the solid content of the alumina sol.
本発明では、特に高負荷が作用する切削条件において、微粒Ti酸化物がα型酸化アルミニウム結晶粒周囲を埋めるように負荷緩衝物として作用することから、α型酸化アルミニウム結晶粒の周囲には、一つ以上のTi酸化物結晶粒が接するように分散含有されていることが好ましい。α型酸化アルミニウム結晶粒が観察視野範囲に占める面積のうち、α型酸化アルミニウム結晶粒周囲にTi酸化物が接して形成されているα型酸化アルミニウム結晶粒が占める面積が70%を下回る場合には、切削時の負荷を緩和することができず、α型酸化アルミニウム結晶粒が脱落してしまいやすく、酸化アルミニウム層の靭性向上効果が低減されてしまう。
α型酸化アルミニウム結晶粒の周囲に、一つ以上のTi酸化物結晶粒が接して存在するか否かは、例えば、電子線後方散乱回折装置(EBSD)とオージェ電子分光装置(AES)を用いて確認することができる。まず、層厚×10μmの観察視野範囲に観察されるα型酸化アルミニウム結晶粒の位置をEBSDにて特定し、続いて、該観察範囲をオージェ電子分光装置を用いて、前記EBSDにて特定したα型酸化アルミニウム結晶粒周囲の元素分析を行うと、α型酸化アルミニウム結晶粒の周囲に、一つ以上のTi酸化物結晶粒が形成されているかどうか確認できる。
In the present invention, since the fine Ti oxide acts as a load buffer so as to fill the periphery of the α-type aluminum oxide crystal grains, particularly under cutting conditions in which a high load acts, around the α-type aluminum oxide crystal grains, It is preferable that one or more Ti oxide crystal grains are dispersedly contained so as to be in contact with each other. Of the area occupied by the α-type aluminum oxide crystal grains in the observation visual field range, the area occupied by the α-type aluminum oxide crystal grains formed in contact with the Ti oxide around the α-type aluminum oxide crystal grains is less than 70%. However, the load at the time of cutting cannot be relieved, the α-type aluminum oxide crystal grains are likely to fall off, and the toughness improving effect of the aluminum oxide layer is reduced.
Whether or not one or more Ti oxide crystal grains are present around the α-type aluminum oxide crystal grains is determined using, for example, an electron beam backscattering diffraction device (EBSD) and an Auger electron spectroscopy device (AES). Can be confirmed. First, the position of the α-type aluminum oxide crystal grains observed in the observation field range of layer thickness × 10 μm was specified by EBSD, and then the observation range was specified by EBSD using an Auger electron spectrometer. When elemental analysis around the α-type aluminum oxide crystal grains is performed, it can be confirmed whether or not one or more Ti oxide crystal grains are formed around the α-type aluminum oxide crystal grains.
なお、上記酸化アルミニウム主体層は、工具基体に直接成膜することで、その性能を発揮することは可能であるが、炭窒化チタンを含む超硬合金を基体とする場合は窒素雰囲気中での焼成により、工具基体表面付近に、Ti、Ta、Nb、Zrのうち、少なくとも1種の耐摩耗性の高い炭窒化物を多く含有させ、基体表面硬化層を形成させるとともに、酸化アルミニウム主体層と工具基体との密着強度を向上させ、工具寿命を延長することが可能となる。なお、該基体表面硬化層形成後の超硬合金基体の硬さはビッカース硬さ(Hv)で2200以上、2800以下であることが好ましい。その際、炭窒化物を多く含有させることで基体表面付近におけるCoは相対的に減ることとなり、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの断面観察を行い、分析視野領域1×1μmの範囲にて波長分散型X線分光法による定量分析により、結合相金属としてのCoの含有量を検出した場合に、Coの含有量を2.0質量%未満にすれば、基体の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。
基体表面硬化層の平均層厚は0.5μm以下であると耐摩耗性が十分発揮できないまま比較的すぐに磨滅してしまい、3.0μm以上であるとチッピングしやすくなる。
The aluminum oxide main layer can exhibit its performance by directly forming a film on the tool base. However, when a cemented carbide containing titanium carbonitride is used as the base, it can be used in a nitrogen atmosphere. By firing, a large amount of at least one kind of highly wear-resistant carbonitride of Ti, Ta, Nb, and Zr is contained in the vicinity of the tool base surface to form a base surface hardened layer, and an aluminum oxide main layer and The adhesion strength with the tool base can be improved and the tool life can be extended. In addition, it is preferable that the hardness of the cemented carbide base body after this base-surface hardened layer formation is 2200 or more and 2800 or less in terms of Vickers hardness (Hv). At that time, Co in the vicinity of the substrate surface is relatively reduced by containing a large amount of carbonitride, and for example, 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface using a scanning electron microscope (SEM). When the content of Co as a binder phase metal is detected by quantitative analysis by wavelength dispersive X-ray spectroscopy in an analysis visual field range of 1 × 1 μm, the Co content is 2. If it is less than 0% by mass, carbonitrides that cause surface hardening of the substrate are sufficiently formed, and wear resistance is further improved.
If the average thickness of the substrate surface hardened layer is 0.5 μm or less, it will be worn away relatively quickly without exhibiting sufficient wear resistance, and if it is 3.0 μm or more, chipping is likely to occur.
また、炭窒化チタン基サーメットを基体とする場合には、焼結工程において昇温及び最高温度で保持する際の雰囲気を所定の窒素雰囲気とし、保持の途中もしくは降温する際に減圧することにより、全焼結工程を一定圧力の窒素雰囲気中で実施した場合よりも表面を硬化させることができる。これは、最高温度で保持するまでの工程を一定の窒素圧力下で実施すると、基体内部に均一に硬さの高い炭窒化物が分散形成されるが、これを昇温、または保持の途中までは比較的高い窒素圧力下で処理し、保持の途中もしくは降温時から、より減圧された窒素雰囲気にして処理すると、基体のごく表面のみ脱窒されることにより、NiやCo金属結合相へのTiやNbなどの溶解及び内部から基体表面への拡散が活発となり、TiやNbなどの炭窒化物の形成が表面にて促進され、基体表面硬化層が形成されるためである。なお、該基体表面硬化層形成後のサーメット基体の硬さはビッカース硬さ(Hv)で2000以上、2600以下であることが好ましい。また、その際は上記超硬基体と同様に、基体表面付近におけるNi及びCoは相対的に減ることとなり、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの断面観察を行い、分析視野領域1×1μmの範囲にて波長分散型X線分光法による定量分析した場合に、結合相金属としてのNi及びCoの合計含有量を2.0質量%未満にすれば、基体の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。 In addition, when the titanium carbonitride-based cermet is used as a substrate, the atmosphere when holding at the highest temperature and the highest temperature in the sintering process is a predetermined nitrogen atmosphere, and by reducing the pressure during holding or when lowering the temperature, The surface can be cured more than when the entire sintering process is performed in a nitrogen atmosphere at a constant pressure. This is because when the process up to holding at the maximum temperature is performed under a constant nitrogen pressure, carbonitrides with high hardness are uniformly dispersed inside the substrate. Is treated under a relatively high nitrogen pressure, and during treatment or when the temperature is lowered to a more reduced nitrogen atmosphere, only the very surface of the substrate is denitrified, resulting in a Ni or Co metal bonded phase. This is because dissolution of Ti and Nb and diffusion from the inside to the surface of the substrate become active, formation of carbonitrides such as Ti and Nb is promoted on the surface, and a substrate surface hardened layer is formed. In addition, it is preferable that the hardness of the cermet base | substrate after this base-surface hardened layer formation is 2000 or more and 2600 or less in Vickers hardness (Hv). In this case, similarly to the above-mentioned carbide substrate, Ni and Co in the vicinity of the substrate surface are relatively reduced. For example, 0.5 to 0.5 in the depth direction from the surface using a scanning electron microscope (SEM). When the cross section of 3.0 μm is observed and quantitative analysis is performed by wavelength dispersive X-ray spectroscopy in the analysis visual field region range of 1 × 1 μm, the total content of Ni and Co as binder phase metals is 2.0 mass. If it is less than%, carbonitrides that cause surface hardening of the substrate are sufficiently formed, and wear resistance is further improved.
本発明の被覆工具の表面層を構成するα型の酸化アルミニウム層は、例えば、以下に示すゾル−ゲル法によって形成することができる。
なお、本発明では、ゾル−ゲル法によってα型の酸化アルミニウム層を形成する際に、主として、原料であるアルミニウムのアルコキシドと同時にチタンのアルコキシドを使用するゾル-ゲル法、または、アルミナゾルにTi酸化物微粒子を添加するゾル−ゲル法を用いることができ、主に上記二つの方法について説明するが、Ti酸化物微粒子の添加の仕方としては、アルミナゾル中で均一分散できるような表面処理をしたTi酸化物微粒子を添加する方法、アルコールに均一にTi酸化物微粒子が分散されたスラリーとして添加する方法、分散剤を予めアルミナゾルへ添加した後にTi酸化物微粒子をアルミナゾルへ添加する方法等各種の添加が可能であるが、いずれの添加方法であっても構わない。
The α-type aluminum oxide layer constituting the surface layer of the coated tool of the present invention can be formed, for example, by the sol-gel method shown below.
In the present invention, when the α-type aluminum oxide layer is formed by the sol-gel method, mainly the sol-gel method using titanium alkoxide at the same time as the aluminum alkoxide as the raw material, or Ti oxidation to alumina sol. The sol-gel method for adding fine particles can be used, and the above two methods will be mainly described. The Ti oxide fine particles are added by a surface treatment that allows uniform dispersion in alumina sol. There are various methods such as a method of adding oxide fine particles, a method of adding Ti oxide fine particles uniformly in alcohol, a method of adding a dispersant to alumina sol and then adding Ti oxide fine particles to alumina sol. Although it is possible, any addition method may be used.
なお、一般的に酸化アルミニウムの結晶化、特にα化には1000℃以上の高温が必要とされるが、Ti酸化物は酸化アルミニウムの結晶化促進に寄与し、Ti酸化物を用いると比較的低温で結晶化が可能になる。Ti酸化物による酸化アルミニウムの低温結晶化促進効果のメカニズムは明確に解明されているわけではないが、各種金属酸化物の標準生成自由エネルギーを考慮すると熱力学的にTi酸化物はAl酸化物よりも不安定であり、Ti酸化物はAl元素を酸化しうる、つまり、Ti酸化物が還元することにより、Alを酸化するための酸素供給源となると考えられること、さらに、複数の金属酸化物のうち、Alの標準生成自由エネルギーに最も近い金属元素がTiであるため、特にTi酸化物は酸化アルミニウムの結晶化促進に効果が大きいのではないかと考えられること、ゾル-ゲル法は例えば石英の製造方法で知られるように金属元素とOのネットワーク形成によるゾル状態、ゲル状態を経ることで通常では得ることのできない比較的低温で結晶化を達成出来る手法であることを考えると、Ti酸化物の酸素供給によりAlとOのネットワーク形成を比較低温の段階で形成助長させている可能性も考えられ、Ti酸化物の表面が酸化アルミニウム結晶粒の成長する起点となり、Ti酸化物近傍の限定した箇所においては比較的低温で結晶化が可能になる。
ただ、アルミナゾルに添加するTi酸化物微粒子の平均粒径が20nm未満であると、アルミニウムが酸化するのに必要な酸素の供給が十分ではないため結晶化しにくく、平均粒径が100nmを超えると、酸化アルミニウム層中に粗大なTi酸化物が含有されることとなり、焼成後はクラックや剥離の起点となりやすい。そのため、アルミナゾルに添加するTi酸化物微粒子の平均粒径は20〜100nmとすることが望ましい。
In general, high temperature of 1000 ° C. or higher is required for crystallization of aluminum oxide, in particular, α conversion, but Ti oxide contributes to the crystallization promotion of aluminum oxide. Crystallization becomes possible at low temperature. The mechanism of the low-temperature crystallization accelerating effect of aluminum oxide by Ti oxide is not clearly elucidated, but considering the standard free energy of formation of various metal oxides, Ti oxide is thermodynamically more than Al oxide. Ti oxides can oxidize Al elements, that is, Ti oxides are considered to be an oxygen supply source for oxidizing Al by reduction, and more than one metal oxide Of these, Ti is the metal element closest to the standard free energy of formation of Al, and therefore Ti oxide is considered to be particularly effective in promoting crystallization of aluminum oxide. As is known in the manufacturing method, it is relatively low temperature that cannot normally be obtained through the sol state and gel state due to the network formation of metal element and O Considering that this is a technique that can achieve crystallization with the oxygen supply of Ti oxide, the formation of Al and O networks may be promoted at a relatively low temperature stage. It becomes a starting point for growth of aluminum oxide crystal grains, and crystallization is possible at a relatively low temperature in a limited portion near the Ti oxide.
However, when the average particle diameter of the Ti oxide fine particles added to the alumina sol is less than 20 nm, the supply of oxygen necessary for oxidizing aluminum is not sufficient, so that it is difficult to crystallize, and when the average particle diameter exceeds 100 nm, Coarse Ti oxide is contained in the aluminum oxide layer, and after firing, it tends to be a starting point for cracks and peeling. Therefore, the average particle diameter of the Ti oxide fine particles added to the alumina sol is preferably 20 to 100 nm.
アルミナゾルの調製:
まず、チタンのアルコキシドを使用するゾル-ゲル法を行う場合はアルミニウムのアルコキシド(例えば、アルミニウムセカンダリブトキシド、アルミニウムイソプロポキシド)にチタンのアルコキシド(例えば、チタンイソプロポキシド、チタンエトキシドなど)及びアルコール(例えば、エタノール、プロパノール)を添加し、次いで、酸(例えば、塩酸、硝酸)を添加した後、加水分解反応を徐々に進めて、前駆体を密に形成させるために10℃以下の温度範囲にて12時間以上攪拌することによってアルミナゾルを調製する。通常行われるアルミナゾルの調製においては、40〜80℃での攪拌と、その攪拌温度で数時間程度の熟成処理が行われるが、本発明においては、−10〜10℃の低温度範囲における攪拌と熟成を、例えば、合計12時間以上行う長時間かけて低温処理を行うことが望ましい。
これは、攪拌および熟成処理時の温度が10℃を超えると加水分解および重縮合反応が急速に進んでしまうため、酸化アルミニウム前駆体が密に形成されにくく、後工程の焼成処理で、α型酸化アルミニウムが形成されにくくなることから、攪拌および熟成処理時の温度の上限を10℃とし、一方、攪拌および熟成処理時の温度が−10℃未満では、加水分解および重縮合反応が進みにくく、結晶化しにくくなってしまうという理由からである。
なお、撹拌及び熟成時間を合計12時間以上としたのは、前記撹拌及び熟成時の温度範囲で起こる化学反応を十分に平衡状態までもっていき、加水分解縮重合したAlとOのネットワークが密に形成された安定な酸化アルミニウム前駆体ゾルを得るために必要な時間である。
Preparation of alumina sol:
First, when performing a sol-gel process using titanium alkoxide, aluminum alkoxide (eg, aluminum secondary butoxide, aluminum isopropoxide), titanium alkoxide (eg, titanium isopropoxide, titanium ethoxide, etc.) and alcohol (E.g., ethanol, propanol), followed by acid (e.g., hydrochloric acid, nitric acid), and then gradually proceeding to the hydrolysis reaction to form a precursor densely, the temperature range below 10C Alumina sol is prepared by stirring for 12 hours or longer. In the usual preparation of alumina sol, stirring at 40 to 80 ° C. and aging treatment for about several hours is performed at the stirring temperature. In the present invention, stirring in a low temperature range of −10 to 10 ° C. It is desirable to perform low-temperature treatment over a long period of time, for example, for a total of 12 hours or more.
This is because when the temperature during stirring and aging treatment exceeds 10 ° C., the hydrolysis and polycondensation reaction proceed rapidly, so that the aluminum oxide precursor is difficult to be formed densely, and the α-type is formed in the subsequent baking treatment. Since it is difficult to form aluminum oxide, the upper limit of the temperature at the time of stirring and aging treatment is 10 ° C. On the other hand, when the temperature at the time of stirring and aging treatment is less than -10 ° C, hydrolysis and polycondensation reaction hardly proceed, This is because it becomes difficult to crystallize.
In addition, the stirring and aging time was set to 12 hours or more in total so that the chemical reaction occurring in the temperature range during the stirring and aging was sufficiently brought to an equilibrium state, and the network of hydrolytic polycondensation Al and O was dense. This is the time required to obtain the formed stable aluminum oxide precursor sol.
また、添加する酸の濃度は、0.01〜1.0Nが望ましく、アルコールに対する酸の添加量は、0.1〜2倍(容量)が望ましい。 The concentration of the acid to be added is preferably 0.01 to 1.0 N, and the amount of acid added to the alcohol is preferably 0.1 to 2 times (volume).
アルミナゾルの加熱処理:
次いで、上記アルミナゾルについて、ゾル中で起きている加水分解・縮合反応が平衡状態に至るまで進める目的で6時間以上加熱撹拌する。なお、加熱処理は一般的な有機合成で使用されるようなオイルバス等による還流加熱処理を用いることが望ましく、ゾルの成分にもよるが80〜180℃の温度で加熱処理を行うことが望ましい。
なお、チタンのアルコキシドを使用せず、アルミナゾルにTi酸化物微粒子を添加するゾル−ゲル法をとる場合には、−10〜10℃の温度範囲における攪拌の後、もしくは80〜180℃の温度範囲における加熱撹拌の後にTi酸化物微粒子を添加させることが望ましい。
Heat treatment of alumina sol:
Next, the alumina sol is heated and stirred for 6 hours or more for the purpose of proceeding until the hydrolysis / condensation reaction occurring in the sol reaches an equilibrium state. In addition, it is desirable to use a reflux heat treatment such as an oil bath used in general organic synthesis as the heat treatment, and it is desirable to perform the heat treatment at a temperature of 80 to 180 ° C. depending on the components of the sol. .
In addition, when the sol-gel method of adding Ti oxide fine particles to alumina sol without using titanium alkoxide, after stirring in a temperature range of −10 to 10 ° C. or in a temperature range of 80 to 180 ° C. It is desirable to add Ti oxide fine particles after the heating and stirring in step (b).
乾燥・焼成:
工具基体あるいは下地層(例えば、Ti化合物層)を被覆した工具基体を、上記で調製したアルミナゾル中へ浸漬処理し、その後、0.5mm/secの速度でアルミナゾル中からこれを引き上げ、それに続き100〜600℃で10分乾燥処理を施し、この浸漬処理と乾燥処理を所要の層厚になるまで繰り返し行い、次いで、700〜900℃の温度範囲で焼成処理を行う。
Drying and firing:
A tool base coated with a tool base or an underlayer (for example, a Ti compound layer) is immersed in the alumina sol prepared above, and then pulled up from the alumina sol at a rate of 0.5 mm / sec. A drying treatment is performed at ˜600 ° C. for 10 minutes, this immersion treatment and the drying treatment are repeated until the required layer thickness is obtained, and then a baking treatment is carried out in a temperature range of 700 to 900 ° C.
上記乾燥処理によって、微粒のTi酸化物を分散含有するアルミナの乾燥ゲルが形成され、次いで行う焼成処理によって、酸化アルミニウム相中に、所定量(全金属元素の0.5〜5原子%)の微粒のTi酸化物を分散含有するα型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織からなる酸化アルミニウム層が形成される。 By the drying treatment, a dry gel of alumina containing finely divided Ti oxide is formed, and then by a firing treatment to be performed, a predetermined amount (0.5 to 5 atomic% of all metal elements) is added in the aluminum oxide phase. An aluminum oxide layer composed of a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains containing finely divided Ti oxide is dispersed.
上記酸化アルミニウム層の膜厚は、アルミナゾルへの浸漬回数に依存するが、被覆形成された上記酸化アルミニウム層の平均層厚が0.5μm未満では、長期の使用にわたって被覆工具としてすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が4.0μmを越えると酸化アルミニウム層が剥離を生じやすくなることから、上記酸化アルミニウム層の膜厚は0.5〜4.0μmとする。 The film thickness of the aluminum oxide layer depends on the number of immersions in the alumina sol, but if the average layer thickness of the coated aluminum oxide layer is less than 0.5 μm, it has excellent wear resistance as a coated tool over a long period of use. On the other hand, if the average layer thickness exceeds 4.0 μm, the aluminum oxide layer tends to be peeled off. Therefore, the thickness of the aluminum oxide layer is set to 0.5 to 4.0 μm.
また、焼成温度については、700℃未満では、チタンのアルコキシドやTi酸化物微粒子を用いたとしてもα型酸化アルミニウム結晶粒の生成速度がおそいため、所定面積割合のα型酸化アルミニウム結晶粒を形成できず硬さが十分でなく、湿式高速断続切削に効果のある、耐クラック性の強い十分な高温硬さを有する酸化アルミニウム層を形成することはできない。一方、900℃を越える温度で焼成した場合、所定面積割合のγ型酸化アルミニウム結晶粒を形成できないため、酸化アルミニウム層の潤滑性が低下し、湿式高速断続切削においてすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮することができない。
よって、焼成温度は700〜900℃とすることが望ましい。
In addition, when the firing temperature is less than 700 ° C., α-type aluminum oxide crystal grains having a predetermined area ratio are formed because the formation rate of α-type aluminum oxide crystal grains is slow even if titanium alkoxide or Ti oxide fine particles are used. It is not possible to form an aluminum oxide layer having sufficient high temperature hardness with high crack resistance and effective in wet high-speed intermittent cutting. On the other hand, when fired at a temperature exceeding 900 ° C., γ-type aluminum oxide crystal grains having a predetermined area ratio cannot be formed, so that the lubricity of the aluminum oxide layer is lowered, and excellent chipping resistance and chipping resistance are obtained in wet high-speed intermittent cutting. I can't show my sexuality.
Therefore, the firing temperature is desirably 700 to 900 ° C.
本発明の表面被覆切削工具によれば、工具基体の表面に、チタンのアルコキシドを原料に加えたゾル-ゲル法やTi酸化物微粒子を予め添加したゾルを用いたゾル−ゲル法によって成膜したTi酸化物を分散含有するα型アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織からなる酸化アルミニウム層を被覆形成するものであり、γ型酸化アルミニウムの有する潤滑性及びα型酸化アルミニウムの有するすぐれた高温硬さと耐酸化性を相兼ね備えた層構造とされていること、さらに、酸化アルミニウム層中に分散含有するTi酸化物によって、層の靭性が向上されていることによって、切れ刃に高負荷が作用するダクタイル鋳鉄の湿式高速断続切削加工においても、チッピング、剥離等の異常損傷の発生が抑制され、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮するのである。 According to the surface-coated cutting tool of the present invention, a film is formed on the surface of the tool base by a sol-gel method in which titanium alkoxide is added to a raw material or a sol-gel method using a sol in which Ti oxide fine particles are added in advance. Covers and forms an aluminum oxide layer consisting of a mixed structure of α-type aluminum crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains containing a dispersed Ti oxide, and has the lubricity of γ-type aluminum oxide and α-type aluminum oxide. It has a layer structure that combines excellent high-temperature hardness and oxidation resistance, and the toughness of the layer is improved by the Ti oxide dispersed and contained in the aluminum oxide layer. Even in wet high-speed intermittent cutting of ductile cast iron that acts on the load, the occurrence of abnormal damage such as chipping and peeling is suppressed, and it can be used for a long time. Than is to exert excellent cutting performance Te.
つぎに、本発明を実施例により具体的に説明する。 Next, the present invention will be specifically described with reference to examples.
(a) 原料粉末として、平均粒径0.8μmの微粒WC粉末、平均粒径2〜3μmの中粒WC粉末といずれも1〜3μmの平均粒径を有するTiCN粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示す所定の配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、98MPaの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を5Paの真空中、1400℃の温度にて1時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にR:0.05mmのホーニング加工を施すことによりISO・CNMG120408に規定するインサート形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A,B,C,D,E,F,G,H,I(工具基体A,B,C,D,E,F,G,H,Iという)を製造した。
但し、1400℃にて1時間保持後1320℃までの冷却を、超硬基体Fについては、3.3kPaの窒素雰囲気中にて40分間行い、超硬基体Gについては、1kPaの窒素雰囲気中にて40分間、超硬基体Hについては、2kPaの窒素雰囲気中にて10分間、超硬基体Iについては、3.3kPaの窒素雰囲気中にて120分間かけて冷却することで基体表面を硬化処理した。
(A) As a raw material powder, fine WC powder having an average particle diameter of 0.8 μm, medium WC powder having an average particle diameter of 2 to 3 μm, and TiCN powder, ZrC powder, TaC powder each having an average particle diameter of 1 to 3 μm, After preparing NbC powder, Cr 3 C 2 powder and Co powder, these raw material powders were blended in the prescribed blending composition shown in Table 1, added with wax, ball mill mixed in acetone for 24 hours, and dried under reduced pressure , Pressed into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa, this green compact was vacuum-sintered at a temperature of 1400 ° C. for 1 hour in a vacuum of 5 Pa, and after sintering, the cutting edge portion R: A tool base A, B, C, D, E, F, G, H, I made of WC base cemented carbide having an insert shape specified in ISO / CNMG120408 by honing to 0.05 mm. (Tool substrate A, It was prepared C, D, E, F, G, H, a) that I.
However, after holding at 1400 ° C. for 1 hour, cooling to 1320 ° C. is performed for 40 minutes in a nitrogen atmosphere of 3.3 kPa for the carbide substrate F, and in a nitrogen atmosphere of 1 kPa for the carbide substrate G. The substrate surface is cured by cooling for 40 minutes in a nitrogen atmosphere of 2 kPa for carbide substrate H and for 120 minutes in a nitrogen atmosphere of 3.3 kPa for carbide substrate I. did.
(b) ついで、上記工具基体A〜Iに対して、下層を形成した。
なお、下層の形成にあたり、上記工具基体A及びBについては、化学蒸着装置に装入し、表2に示す成膜条件を用いて、粒状結晶組織を有するTiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層、縦長成長結晶組織のTiCN層(以下、l−TiCNで示す)からなるTi化合物層を表5に示す皮膜構成にて下地層を予め形成した。一方、上記工具基体Cについては、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、表5に示す膜厚のTi0.5Al0.5N層からなる下地層を予め形成した。
また、上記工具基体Dについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、表5に示す膜厚のAl0.7Cr0.3N層からなる下地層を予め形成した。
一方、上記工具基体E,F,G,H,Iについては、下地層の形成を特に行わなかった。
(B) Next, a lower layer was formed on the tool bases A to I.
In forming the lower layer, the tool bases A and B are charged into a chemical vapor deposition apparatus, and the TiN layer, TiCN layer, TiCO layer, TiCNO having a granular crystal structure are formed using the film formation conditions shown in Table 2. An underlayer was formed in advance with a Ti compound layer comprising a layer and a TiCN layer having a vertically grown crystal structure (hereinafter referred to as 1-TiCN) with a film configuration shown in Table 5. On the other hand, the tool base C is inserted into an arc ion plating apparatus which is a kind of physical vapor deposition apparatus, and an underlayer composed of Ti 0.5 Al 0.5 N layers having the film thicknesses shown in Table 5 is formed in advance. did.
Further, the tool base D was similarly inserted into an arc ion plating apparatus, and an underlayer composed of an Al 0.7 Cr 0.3 N layer having a thickness shown in Table 5 was formed in advance.
On the other hand, for the tool bases E, F, G, H, and I, the base layer was not particularly formed.
(c) 一方、酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法で被覆形成するためのアルミナゾルの調製を、次のように行った。
表3に示す所定量のアルミニウムのアルコキシドであるアルミニウムセカンダリブトキシドにチタンのアルコキシドであるチタンイソプロポキシド、同じく表3に示す所定量のエタノールを添加した後、恒温槽中10℃以下で攪拌を行い、さらに、所定量の水を添加した塩酸を滴下により1〜3時間かけて添加した。
(C) On the other hand, an alumina sol for coating the aluminum oxide layer by the sol-gel method was prepared as follows.
After adding titanium isopropoxide, which is an alkoxide of titanium, and a predetermined amount of ethanol, which is also shown in Table 3, to aluminum secondary butoxide, which is a predetermined amount of aluminum alkoxide shown in Table 3, the mixture is stirred at 10 ° C. or less in a thermostatic bath. Furthermore, hydrochloric acid to which a predetermined amount of water was added was added dropwise over 1 to 3 hours.
(d) これをオイルバスによる還流装置を用いて表3に示す温度でゾル中の加水分解・縮重合反応を安定させることを目的として所定時間加熱撹拌したあとに表3に示す所定量のTi酸化物微粒子を添加することでアルミナゾルを調製した。
最終的な溶液組成は、モル比で、
(アルミニウムセカンダリブトキシド):(水):(エタノール):(塩酸)
=1:(80〜120):20:(0.1〜1)
になるように調整を行った。
(D) A predetermined amount of Ti shown in Table 3 after stirring and heating for a predetermined time for the purpose of stabilizing the hydrolysis / condensation polymerization reaction in the sol at a temperature shown in Table 3 using a reflux apparatus using an oil bath. An alumina sol was prepared by adding fine oxide particles.
The final solution composition is in molar ratio
(Aluminum secondary butoxide): (water): (ethanol): (hydrochloric acid)
= 1: (80 to 120): 20: (0.1 to 1)
Adjustments were made to
(e) ついで、上記工具基体A〜Iを、上記アルミナゾル中に浸漬し、その後、上記工具基体A〜Iをアルミナゾル中から引き上げ速度0.5mm/secで引き上げ、500℃で10分間の乾燥処理を行い、さらに、浸漬、引き上げ、乾燥処理を繰り返した後、表3に示す条件で焼成処理を行い、α型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織からなる本発明の酸化アルミニウム層を被覆形成することにより、表5、6に示す本発明の被覆工具1〜15(本発明工具1〜15という)を製造した。 (E) Next, the tool bases A to I are immersed in the alumina sol, and then the tool bases A to I are pulled up from the alumina sol at a lifting speed of 0.5 mm / sec and dried at 500 ° C. for 10 minutes. And, after repeating dipping, pulling up and drying treatments, firing treatment was performed under the conditions shown in Table 3, and the aluminum oxide of the present invention comprising a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains By coating the layers, the coated tools 1 to 15 of the present invention shown in Tables 5 and 6 (referred to as the present tools 1 to 15) were produced.
前記本発明工具1〜15について、酸化アルミニウム層の平均層厚を透過電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値(5ヶ所の平均値)を示した。 When the average layer thickness of the aluminum oxide layer was measured using a transmission electron microscope for the tools 1 to 15 of the present invention, the average value was substantially the same as the target layer thickness (average value of five locations). .
また、上記本発明工具1〜15の酸化アルミニウム層について、X線回折装置と透過型電子顕微鏡(TEM)を用い、制限視野電子線回折法によりその各結晶粒を解析したところ、その結晶粒から明瞭な電子線回折パターンが得られ、そのパターンの解析及びX線回折パターンから、酸化アルミニウム層はα型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織を有していることが確認された。 Moreover, about the aluminum oxide layer of the said invention tools 1-15, when each crystal grain was analyzed by the limited visual field electron diffraction method using the X-ray-diffraction apparatus and the transmission electron microscope (TEM), from the crystal grain, A clear electron diffraction pattern was obtained, and the analysis of the pattern and the X-ray diffraction pattern confirmed that the aluminum oxide layer had a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains. It was.
また、酸化アルミニウム層中に、Ti酸化物が分散含有されていること、Ti酸化物として含有されるTiの含有量をTEMによるエネルギー分散形X線分析装置で測定した。 In addition, Ti oxide was dispersed and contained in the aluminum oxide layer, and the content of Ti contained as Ti oxide was measured with an energy dispersive X-ray analyzer by TEM.
さらに、酸化アルミニウム層のα型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の粒径、α型酸化アルミニウム結晶粒のアスペクト比及び酸化アルミニウム層の縦断面において、該酸化アルミニウム層中に占めるα型酸化アルミニウム結晶粒の占める面積、Ti酸化物が一つ以上接しているα型酸化アルミニウム結晶粒の面積を電子線後方散乱回折装置(EBSD)、オージェ電子分光装置(AES)を用いて測定した。また、測定結果より、層厚方向に0.2μmの高さ毎に基体表面と平行に区分した各断面におけるα型酸化アルミニウム結晶粒の占める面積割合の標準偏差を算出した。
それぞれについての測定方法は、以下に示すとおりである。
まず、該酸化アルミニウム層の縦断面を層厚×10μmの観察視野範囲にて電子線後方散乱回折装置(EBSD)により観察すると、α型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒形状が確認でき、上記観察視野範囲内における各々の結晶粒形状を5視野に対して求めた場合に、層厚垂直方向の最大径を層厚垂直方向の粒径、層厚方向の最大径を層厚方向の粒径と定義し、それらの平均をα型酸化アルミニウム結晶粒またはγ型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径とする。また、層厚垂直方向の粒径に対する層厚方向の粒径の比を各々算出し、その平均値を該酸化アルミニウム層中の結晶粒の平均アスペクト比とする。また、電子線後方散乱回折装置(EBSD)により特定される該酸化アルミニウム層中に形成されるα型酸化アルミニウム結晶粒を特定し、該酸化アルミニウム層中に占めるα型酸化アルミニウム結晶粒の面積を求めるとともに、層厚方向に0.2μmの高さで各断面を区分し、各区分ごとの該酸化アルミニウム層中に占めるα型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合をもとめ、縦断面全体にわたる標準偏差を求めた。また、オージェ電子分光装置(AES)により該酸化アルミニウム層中に形成されるα型酸化アルミニウム結晶粒のうちTi酸化物が一つ以上接しているα型酸化アルミニウム結晶粒を特定し、その面積割合を求めた。
Furthermore, in the aluminum oxide layer, the α-type aluminum oxide crystal grains and the γ-type aluminum oxide crystal grains, the aspect ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains, and the α-type occupied in the aluminum oxide layer in the longitudinal section of the aluminum oxide layer The area occupied by aluminum oxide crystal grains and the area of α-type aluminum oxide crystal grains in contact with one or more Ti oxides were measured using an electron beam backscattering diffractometer (EBSD) and an Auger electron spectrometer (AES). From the measurement results, the standard deviation of the area ratio occupied by the α-type aluminum oxide crystal grains in each cross section divided in parallel with the substrate surface at every 0.2 μm height in the layer thickness direction was calculated.
The measurement method for each is as follows.
First, when the longitudinal section of the aluminum oxide layer is observed with an electron beam backscattering diffractometer (EBSD) in the observation field range of layer thickness × 10 μm, α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grain shapes can be confirmed. When the respective crystal grain shapes within the observation visual field range are obtained with respect to five visual fields, the maximum diameter in the layer thickness vertical direction is the grain size in the layer thickness vertical direction, and the maximum diameter in the layer thickness direction is in the layer thickness direction. It is defined as the particle size, and the average thereof is defined as the average particle size of α-type aluminum oxide crystal grains or γ-type aluminum oxide crystal grains. Further, the ratio of the grain size in the layer thickness direction to the grain size in the layer thickness vertical direction is calculated, and the average value is defined as the average aspect ratio of the crystal grains in the aluminum oxide layer. Further, the α-type aluminum oxide crystal grains formed in the aluminum oxide layer specified by the electron beam backscattering diffractometer (EBSD) are specified, and the area of the α-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer is determined. In addition, each section is sectioned at a height of 0.2 μm in the layer thickness direction, the area ratio of α-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer for each section is obtained, and the standard deviation over the entire longitudinal section is obtained. Asked. Further, among the α-type aluminum oxide crystal grains formed in the aluminum oxide layer by an Auger electron spectrometer (AES), α-type aluminum oxide crystal grains that are in contact with one or more Ti oxides are identified, and the area ratio thereof Asked.
[比較例1]
比較のため、以下の製造方法で比較例の被覆工具を製造した。
[Comparative Example 1]
For comparison, a coated tool of a comparative example was manufactured by the following manufacturing method.
(イ)まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
(アルミニウムセカンダリブトキシド):(水):(エタノール):(塩酸)
=1:(80〜120):20:(0.1〜1)
になるように調整し、表4に示す条件でアルミナゾルを調製した。
(ロ)次いで、上記工具基体A〜Iの表面に、上記アルミナゾルを塗布した。
(ハ)ついで、上記塗布したアルミナゾルを、表4に示す条件で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、焼成処理を行うことにより、表5、7に示す比較例の被覆工具1〜15(比較例工具1〜15という)を製造した。
(A) First, the solution composition of each component in the reaction raw material is a molar ratio,
(Aluminum secondary butoxide): (water): (ethanol): (hydrochloric acid)
= 1: (80 to 120): 20: (0.1 to 1)
The alumina sol was prepared under the conditions shown in Table 4.
(B) Next, the alumina sol was applied to the surfaces of the tool bases A to I.
(C) Next, the coated alumina sol is dried under the conditions shown in Table 4, and after repeating the coating and drying until a predetermined layer thickness is obtained, the firing treatment is performed, and the results are shown in Tables 5 and 7. Comparative tools 1 to 15 (referred to as comparative tools 1 to 15) were produced.
比較例工具1〜15について、酸化アルミニウム層の平均層厚を透過電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値(5ヶ所の平均値)を示した。 About Comparative example tools 1-15, when the cross-sectional measurement was carried out using the transmission electron microscope for the average layer thickness of the aluminum oxide layer, all showed the average value (average value of five places) substantially the same as target layer thickness.
また、比較例工具1〜15の酸化アルミニウム層について、X線回折装置と透過型電子顕微鏡(TEM)を用い、制限視野電子線回折法によりその各結晶粒を解析し、その結晶粒からの電子線回折パターン、X線回折パターンから、酸化アルミニウム層の結晶構造を特定した。 Moreover, about the aluminum oxide layer of the comparative example tools 1-15, each X-ray diffraction apparatus and a transmission electron microscope (TEM) are used, The each crystal grain is analyzed by a limited field electron diffraction method, The electron from the crystal grain The crystal structure of the aluminum oxide layer was specified from the line diffraction pattern and the X-ray diffraction pattern.
また、実施例1と同様に酸化アルミニウム層中に、Ti酸化物が分散含有されている状態を測定するとともに、Ti酸化物として含有されるTiの含有量を測定した。 Further, in the same manner as in Example 1, the state in which the Ti oxide was dispersedly contained in the aluminum oxide layer was measured, and the content of Ti contained as the Ti oxide was measured.
さらに、酸化アルミニウム層のα型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の粒径、α型酸化アルミニウム結晶粒のアスペクト比及び工具基体表面と該酸化アルミニウム層中に占めるα型酸化アルミニウム結晶粒の占める面積、Ti酸化物が一つ以上接しているα型酸化アルミニウム結晶粒の面積を電子線後方散乱回折装置(EBSD)、オージェ電子分光装置(AES)を用いて測定した。また、測定結果より、層厚方向に0.2μmの高さ毎に工具基体表面と平行に区分した各断面において、α型酸化アルミニウム結晶粒の占める面積割合から縦断面全体にわたる標準偏差を算出した。
それぞれについての測定方法は、実施例1の場合と同様である。
Further, the α-type aluminum oxide crystal grains of the α-type aluminum oxide crystal grains and the γ-type aluminum oxide crystal grains of the aluminum oxide layer, the aspect ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains, and the α-type aluminum oxide crystal grains occupied in the tool base surface and the aluminum oxide layer And the area of α-type aluminum oxide crystal grains in contact with one or more Ti oxides were measured using an electron beam backscattering diffractometer (EBSD) and an Auger electron spectrometer (AES). Also, from the measurement results, the standard deviation over the entire longitudinal section was calculated from the area ratio occupied by the α-type aluminum oxide crystal grains in each section divided in parallel with the tool base surface for every 0.2 μm height in the layer thickness direction. .
The measurement method for each is the same as in Example 1.
つぎに、本発明工具1〜15および比較例工具1〜15について、以下に示す、ダクタイル鋳鉄の湿式高速断続切削試験を実施し、いずれも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
被削材:JIS・FCD700の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:220m/min、
切り込み:1.0mm、
送り:0.2mm/rev、
切削時間:7分、
(通常の切削速度は、180m/min)、
これらの結果を表8に示す。
Next, the present invention tools 1 to 15 and comparative tools 1 to 15 were subjected to the following wet high-speed intermittent cutting test of ductile cast iron, and all measured the flank wear width of the cutting edge.
Work material: JIS / FCD700 lengthwise equal length 4 round bar with round groove,
Cutting speed: 220 m / min,
Cutting depth: 1.0 mm,
Feed: 0.2mm / rev,
Cutting time: 7 minutes
(Normal cutting speed is 180 m / min),
These results are shown in Table 8.
原料粉末として、いずれも0.5〜2μmの平均粒径を有するTiCN(質量比でTiC/TiN=50/50)粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末、およびNi粉末を用意し、これらを表9に示す所定の配合組成に配合し、ボールミルで24時間湿式混合し、乾燥した後、98MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を1.3kPaの窒素雰囲気中、温度:1540℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.07mmのホーニング加工を施すことによりISO規格・CNMG120408のチップ形状をもったTiCN基サーメット製の工具基体J,K,L,M,N,O,P,Q,R(工具基体J〜Rという)を製造した。但し、工具基体Oについては1.3kPaの窒素雰囲気中、昇温速度を2℃/minとし、室温より1540℃まで昇温させ30分保持した後、13Paの真空とし、さらに、1540℃にて30分保持後降温させて表面硬化させた。工具基体Pについては、常に13Paの真空中にて昇温および1540℃にて60分保持、工具基体Qについては1.3kPaの窒素雰囲気中で室温より1540℃まで昇温させ30分保持した後、13Paの真空とし、さらに、1540℃にて5分保持、工具基体Rについては1.3kPaの窒素雰囲気中で室温より1540℃まで昇温させ30分保持した後、13Paの真空とし、さらに、1540℃にて90分保持後降温させて表面硬化させた。 TiCN (mass ratio TiC / TiN = 50/50) powder, Mo 2 C powder, NbC powder, TaC powder, WC powder, Co powder, and raw material powder, all having an average particle diameter of 0.5 to 2 μm, and Ni powders were prepared, blended into the prescribed composition shown in Table 9, wet mixed for 24 hours with a ball mill, dried, and then pressed into a green compact at a pressure of 98 MPa. Sintered in a nitrogen atmosphere of 3 kPa at a temperature of 1540 ° C. for 1 hour, and after sintering, the cutting edge part is subjected to a honing process of R: 0.07 mm to form an ISO standard / CNMG120408 chip shape. TiCN based cermet tool bases J, K, L, M, N, O, P, Q, and R (referred to as tool bases J to R) were manufactured. However, for the tool base O, in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa, the rate of temperature rise was 2 ° C./min, the temperature was raised from room temperature to 1540 ° C. and held for 30 minutes, then a vacuum of 13 Pa was applied, and further at 1540 ° C. After holding for 30 minutes, the temperature was lowered to cure the surface. For the tool base P, the temperature was always increased and held at 1540 ° C. for 60 minutes in a vacuum of 13 Pa. For the tool base Q, the temperature was raised from room temperature to 1540 ° C. in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa for 30 minutes. , A vacuum of 13 Pa, and further held at 1540 ° C. for 5 minutes, and the tool substrate R was heated from room temperature to 1540 ° C. in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa and held for 30 minutes, and then a vacuum of 13 Pa was further obtained. After holding at 1540 ° C. for 90 minutes, the temperature was lowered to cure the surface.
ついで、上記工具基体J〜Rに対して、実施例1と同様に表2に示す下地層の成膜条件、表3の調製条件及び焼成条件を用い、酸化アルミニウム層を成膜し、表10、11に示す本発明の被覆工具16〜30(本発明工具16〜30という)を製造した。 Next, an aluminum oxide layer was formed on the tool bases J to R using the underlayer deposition conditions shown in Table 2, the preparation conditions and the firing conditions shown in Table 3, as in Example 1. Table 10 The coated tools 16 to 30 of the present invention (referred to as the present invention tools 16 to 30) shown in FIG.
[比較例2]
前記実施例2で用いたのと同じ工具基体J〜Rを用いて、実施例2と同様に、ゾル−ゲル法により、表2に示す下地層の成膜条件、表3に示すゾル調製条件、焼成条件を用いて表12に示す所定目標層厚になるまで酸化アルミニウム主体層を成膜し、表10,12に示す比較例の被覆工具16〜30(比較例工具16〜30という)を製造した。
[Comparative Example 2]
Using the same tool bases J to R used in Example 2, the sol-gel method was used to form the underlayer shown in Table 2 and the sol preparation conditions shown in Table 3 as in Example 2. Then, the aluminum oxide main layer was formed using firing conditions until the predetermined target layer thickness shown in Table 12 was reached, and the coated tools 16 to 30 (referred to as Comparative Tools 16 to 30) of Comparative Examples shown in Tables 10 and 12 were used. Manufactured.
上記本発明工具16〜30、比較例工具16〜30の酸化アルミニウム層について、実施例1の場合と同様にして、酸化アルミニウム層の平均層厚、酸化アルミニウム層の結晶構造、Ti酸化物の分散状態、Tiの含有量、各結晶粒の粒径、アスペクト比、酸化アルミニウム層に占めるα型酸化アルミニウム結晶粒の占める面積割合、層厚方向に0.2μmの高さ毎に工具基体表面と平行に区分した各縦断面におけるα型酸化アルミニウム結晶粒の占める面積割合から標準偏差、Ti酸化物が一つ以上接しているα型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合を測定した。
表11、表12に、その結果を示す。
For the aluminum oxide layers of the inventive tools 16-30 and comparative tools 16-30, the average layer thickness of the aluminum oxide layer, the crystal structure of the aluminum oxide layer, and the dispersion of Ti oxide are the same as in Example 1. State, Ti content, grain size of each crystal grain, aspect ratio, ratio of area occupied by α-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer, parallel to the tool substrate surface every 0.2 μm height in the layer thickness direction From the area ratio occupied by α-type aluminum oxide crystal grains in each of the vertical sections, the standard deviation and the area ratio of α-type aluminum oxide crystal grains in contact with one or more Ti oxides were measured.
Tables 11 and 12 show the results.
上記本発明工具16〜30、比較例工具16〜30について、次の条件で湿式高速断続切削加工試験を行った。
被削材:JIS・FCD450の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:330m/min、
切り込み:1.3mm、
送り:0.18mm/rev、
切削時間:7分、
(通常の切削速度は、300m/min)、
これらの結果を表13に示す。
About the said this invention tools 16-30 and comparative example tools 16-30, the wet high-speed intermittent cutting test was done on the following conditions.
Work material: JIS / FCD450 lengthwise equidistant round bars with 4 vertical grooves,
Cutting speed: 330 m / min,
Cutting depth: 1.3 mm,
Feed: 0.18mm / rev,
Cutting time: 7 minutes
(Normal cutting speed is 300 m / min),
These results are shown in Table 13.
表8、13に示される結果から、本発明工具1〜30においては、工具基体の表面に、ゾル−ゲル法によってTi酸化物を分散含有する酸化アルミニウム層が被覆形成され、該酸化アルミニウム層は、すぐれた高温硬さ、耐酸化性を備えたα型酸化アルミニウム結晶粒と、耐クラック性に優れたγ型の酸化アルミニウム結晶粒との混合組織からなり、さらに、酸化アルミニウム層中のTi酸化物によって、層の靭性が向上していることから、これを、ダクタイル鋳鉄等の湿式高速断続切削加工に用いた場合でも、チッピング、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。 From the results shown in Tables 8 and 13, in the tools 1 to 30 of the present invention, the surface of the tool base is coated with an aluminum oxide layer containing Ti oxide dispersed by a sol-gel method. It consists of a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains with excellent high-temperature hardness and oxidation resistance and γ-type aluminum oxide crystal grains with excellent crack resistance, and further, Ti oxidation in the aluminum oxide layer Since the toughness of the layer is improved depending on the object, even when this is used for wet high-speed intermittent cutting such as ductile cast iron, it does not cause abnormal damage such as chipping and peeling, and it can be used for a long time. It exhibits excellent cutting performance.
これに対して、比較例工具1〜30は、鋼、鋳鉄等の湿式高速断続切削加工においてチッピング、剥離等の異常損傷の発生、あるいは、耐摩耗性が不足により、短時間で使用寿命に至ることは明らかである。
なお、前述の実施例では、インサート形状の工具を用いて硬質被覆層の性能を評価したが、ドリル、エンドミルなどでも同様の結果が得られることはいうまでもない。
On the other hand, comparative tools 1 to 30 reach the service life in a short time due to occurrence of abnormal damage such as chipping and peeling or insufficient wear resistance in wet high-speed intermittent cutting of steel, cast iron and the like. It is clear.
In the above-described embodiment, the performance of the hard coating layer was evaluated using an insert-shaped tool, but it goes without saying that the same result can be obtained with a drill, an end mill, or the like.
本発明の表面被覆切削工具によれば、表面に、ゾル−ゲル法によって酸化アルミニウム層が被覆形成され該酸化アルミニウム層は、すぐれた耐クラック性、高温硬さ、耐酸化性、靭性を備えることから、これを、ダクタイル鋳鉄等の湿式高速断続切削加工に用いた場合でも、チッピング、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであり、工具寿命の長寿命化を図ることができ、その実用上の効果は大きい。 According to the surface-coated cutting tool of the present invention, an aluminum oxide layer is formed on the surface by a sol-gel method, and the aluminum oxide layer has excellent crack resistance, high temperature hardness, oxidation resistance, and toughness. Therefore, even when this is used for wet high-speed intermittent cutting such as ductile cast iron, it exhibits excellent cutting performance over a long period of use without causing abnormal damage such as chipping and peeling, The tool life can be extended, and its practical effect is great.
Claims (6)
(a)上記酸化アルミニウム層は、層中にTi酸化物を分散含有するとともに、α型酸化アルミニウム結晶粒とγ型酸化アルミニウム結晶粒の混合組織からなり、
(b)上記酸化アルミニウム層におけるγ型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径は50〜200nmであり、
(c)上記酸化アルミニウム層におけるα型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径は50〜300nmであって、また、平均アスペクト比は0.8〜1.2であり、
(d)上記酸化アルミニウム層の縦断面に占めるα型酸化アルミニウム結晶粒の面積割合が、20〜70%であるとともに、
(e)上記酸化アルミニウム層の縦断面を工具基体表面と平行に区分した各区分断面におけるα型酸化アルミニウム結晶粒が占める面積割合の標準偏差が15%以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。 Surface coated cutting formed by coating an aluminum oxide layer with an average layer thickness of 0.5 to 4.0 μm as a hard coating layer on the surface of a tool base made of tungsten carbide based cemented carbide or titanium carbonitride based cermet A tool,
(A) The aluminum oxide layer contains a Ti oxide dispersed in the layer and has a mixed structure of α-type aluminum oxide crystal grains and γ-type aluminum oxide crystal grains,
(B) The average particle diameter of the γ-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer is 50 to 200 nm,
(C) The average particle diameter of the α-type aluminum oxide crystal grains in the aluminum oxide layer is 50 to 300 nm, and the average aspect ratio is 0.8 to 1.2.
(D) While the area ratio of the α-type aluminum oxide crystal grains in the longitudinal section of the aluminum oxide layer is 20 to 70%,
(E) Surface-coated cutting characterized in that the standard deviation of the area ratio occupied by α-type aluminum oxide crystal grains in each section obtained by dividing the longitudinal section of the aluminum oxide layer in parallel with the tool base surface is 15% or less. tool.
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCoの平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。 In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and an average content of Co as a binder phase metal contained in the base surface hardened layer is The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the surface-coated cutting tool is less than 2.0% by mass.
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCo及びNiの合計平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool base made of titanium carbonitride-based cermet,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and the total average of Co and Ni as binder phase metals contained in the base surface hardened layer Content is less than 2.0 mass%, The surface-coated cutting tool as described in any one of Claims 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned.
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